SZÉLKERÉK KÖRNYEZETÉBEN KIALAKULÓ HANGTERHELÉS VIZSGÁLATA

XIII. Évfolyam 1. szám 2018. március SZÉLKERÉK KÖRNYEZETÉBEN KIALAKULÓ HANGTERHELÉS VIZSGÁLATA NOISE ANALYSIS OF A WIND TURBINE AND IT'S IMPACT ON THE ENVIRONMENT HETYEI Csaba; KISS Sándor; SZLIVKA Ferenc (ORCID: 0000-0003-2915-4540); (ORCID: 0000-0002-8449-8779); (ORCID: 0000-0002- 3298-4142) hetyei.csaba@phd.uni-obuda.hu; kiss.sandor@uni-nke.hu; szlivka.ferenc@bgk.uni-obuda.hu; Absztrakt Jelen közleményben egy képzeletbeli szélkerék környezetében kialakuló hangterhelés vizsgáljuk. Áttekintjük a hangterhelésszinteket és annak a számítási módját. Ezt követően ismertetjük a vizsgált szélturbinánkat és az áramlástani peremfeltételeket. Az így kapott eredményekből meghatározzunk néhány nevezetes hangteljesítményszinthez tartozó távolságot, amik ismeretében becsülhetővé válik, hogy milyen hangszigeteléssel kell ellátni a szélturbina környezetébe telepítendő üzemünket. Kulcsszavak: Szélenergia, szélturbina, akusztika, Proudman formula Abstract In our article we are examining the noise impact of a wind turbine. We will explain the basic theories or the noise levels and it s calculation methods, and it s simulation procedure. From the results, we determine the distance for some notable sound power levels. This distances will help estimate the sound-proofing for our imaginary factory. Keywords: Wind energy, Wind turbine, acoustic, Proudman formula A kézirat benyújtásának dátuma (Date of the submission): 2017.12.19. A kézirat elfogadásának dátuma (Date of the acceptance): 2018.03.12. Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 20

BEVEZETÉS A napjainkban jelentkező egyre nagyobb energiaigény miatt mindinkább előtérbe kerülnek a megújuló energiaforrások, köztük a szélenergia is. Ennek a szegmensnek a növekedése jól látszódik a telepített szélerőmű teljesítményeken. 2000-ben összesen 17,4 GW, 2010-ben 197,9 GW, 2015-ben 432,4 GW teljesítményű szélturbina állt rendelkezésre a világon [1]. Az első szélerőművet, ami elektromos áramot termelt, 1887-ben építették, de előtérbe csak az 1980-as olajválság idején kerültek. Azóta telepítésük növekvő tendenciát mutat. A növekvő tendenciával nem csak az energiatermelés mennyiség nő, hanem a szélerőművek rejtett hibáinak megismerése is, például a környezetre gyakorolt hatásuk. Ezek a hatások közül cikkünkben egy szélturbina okozta hangterhelést, azaz a szélerőmű okozta zajt fogjuk vizsgálni. A vizsgálatunk helye egy képzeletbeli üzemudvar lesz, ahol célunk meghatározzuk azt a távolságot, aminél az ott dolgozókat nem zavarja a szélturbina által keltett zaj. A HANG Általános megfogalmazás szerint zajnak tekinthető minden olyan hanghatás, ami az emberi tevékenység során zavaró. Hangnak alapvetően két dolgot nevezünk, fizikailag egy rugalmas közegrész állapotának ingadozását, ami terjed a közegben, és egy olyan hatást, amely az élőlények hallószervén keresztül különböző élettani hatásokat vált ki. A hang a hangforrásból kiindulva, rugalmas közegben minden irányba terjed, amely során gyengül majd elhal. Erre egy jó példa a beszéd, ugyanis beszéd közben a hangszálainkkal rezgésbe hozzuk a levegőt, ez a rezgés hullámként eljut egy másik ember hallószervébe, és ott olyan hatásokat vált ki, hogy az illető meghallja, amit mondunk. A hang keletkezése során a hangforrásból a hanghullámok lépnek ki és terjednek rugalmas vivőközegben. Azt a teret, amit a hang bejár, hangtérnek nevezzük. Amennyiben a hanghullámok terjedés közben különböző akadályokba ütköznek, visszaverődnek, elnyelődnek, áthatolnak, törnek, illetve elhajolnak. A hangokat különböző mennyiségekkel jellemezhetjük, ilyen például a frekvencia, hangsebesség, hangnyomás, hangteljesítmény és a hangintenzitás. Ezek közül csak a hangnyomást és a hangteljesítményt ismertetjük röviden. A hanghullámok terjedése miatt a hangtérben a közeg sűrűsége nőhet és csökkenhet, így különböző nyomásértékek alakulhatnak ki. Ezek a nyomásértékek jellemzően sokkal kisebbek, mint a környezeti légnyomás, például egy beszélgetés során a beszélőtől 1 m távolságra 0,1 1 Pa hangnyomás alakul ki, míg a környezeti légnyomás 101 325 Pa. Az emberi fül számára a legkisebb hangnyomás érték, amit észlelni tud, 2 10 5 Pa, a fájdalomküszöb körülbelül 20 Pa. A két küszöbérték közötti hat nagyságrendnyi különbséget a könnyebb kezelhetőség, illetve az emberi észlelés jellegzetességei miatt a szintekkel szokták megadni, mértékegysége db. Hangnyomásszintet a következő képlettel lehet kiszámítani: L = 10 log ( p 2 ) = 20 log p (1) p 0 p 0 A képletben, L, a hangnyomás szint, p, a hangnyomás, p0, az észlelés szempontjából legkisebb hangnyomás (értéke: 2 10 5 Pa). Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 21

A képletbe behelyettesítve a fájdalomküszöbnek megadott 20 Pa-t, megkaphatjuk ennek az értéknek a hangnyomás szintjét a következő módon: L = 10 log ( p 2 ) p 0 20 Pa = 20 log 2 10 5 = 120 db (2) Pa A hangnyomásból származtatható a hangteljesítmény, aminek a legkisebb emberi füllel észlelhető értéke 10-12 W. A hangteljesítményszint a következő képlettel számítható ki: L P = 10 log P P 0 (3) A képletben, Lp, a hangteljesítmény szint, P, a hangteljesítmény, P0, a referencia hangteljesítmény érték (10-12 W). A következő táblázatban néhány nevezetes hangteljesítményszint látható. Hangtér L P [db] Suttogás 20-30 Csendes lakótelep éjjel 40 Normál beszéd 50 Étterem, iroda 60 Forgalmas út, kiáltás 80 Benzinmotoros fűrés 110 1. táblázat Néhány nevezetes hangteljesítményszint VÉGES TÉRFOGAT SZIMULÁCIÓRÓL A numerikus áramlástani szimulációs szoftverek közül a SOLIDWORKS Flow Simulation-jét választottuk, ami egy véges térfogat módszerre (VTM) épülő áramlástani szoftver a SOLIDWORKS CAD rendszerébe integrálva. Véges térfogat módszerről általánosságban A VTM alapú szimulációs szoftver a rendelkezésre álló teret véges térfogatú cellákra bontja, és az így kapott térrészekre a megmaradási tételek segítségével kiszámolja a nyomás, a sebesség és a hőmérséklet mezőket. Ez a számolás jellemzően a következő transzport egyenletre épül: Az egyenletben t U V dv + F da = S V A V dv + S A da (4) A Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 22

U, az időfüggő tag ( U = 0, állandósult állapot), t t U, egy megmaradó mennyiség térfogati sűrűsége, F, az adott jellemző fluxusa, Sv, térfogati forrás az adott F fluxusra, SA, felületi forrás az adott F fluxusra, V, ellenőrző térfogat, A, az ellenőrző térfogat felülete. A tér diszkretizált részeire egy kiindulási értékkel elvégzi a számolásokat a szoftver. Az így kapott eredményekkel újabb iterációkat végez, míg a szimuláció el nem éri az előírt leállítási kritériumot. Proudman formula [3] SOLIDWORKS Flow Simulation-ön belül elérhető akusztikai szimuláció az áramlástani szimuláció eredményeiből becsüli a hangteljesítményt a Proudman formulával. A Proudman formula a VTM alapú áramlástani szimulációkban a hangteljesítmény számítására egy bevett módszer. A formula egy térfogategységre vett izotrópikus turbulenciából származtatja a hangteljesítményt a következő képlet alapján: Az egyenletben, P a = α ρ 0 ( u3 l ) u5 a 0 5 (5) Pa, a hangteljesítmény, α, egy mérésekből származó állandó, ρ 0, a közeg sűrűsége, u, a turbulencia viszkozitása, l, a turbulencia hosszléptéke, a0, a hangsebesség. Az egyenletbe behelyettesítve a k-ε turbulenciamodell állandóit a következő felírást kapjuk: ahol, P a = α ε ρ 0 ε M t 5 (6) M t = Az egyenletben, α ε, egy mérésekből származó állandó (értéke 0,1), ε, a turbulens örvény disszipációja, Mt, a turbulens Mach szám, k, a turbulens kinetikai energia. 2 k a 0 (7) Az így kapott hangteljesítményből az előzőekben ismertetett formulával meghatározható a vizsgált térfogategységre a hangteljesítmény szintje: Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 23

L P = 10 log P a P 0 (8) ahol, P0, a térfogategységre származtatott referencia hangteljesítmény (értéke 10-12 W/m 3 ). VIZSGÁLT FELADAT ISMERTETÉSE Az előzőekben ismertetettek alapján egy képzeletbeli gyárudvarra szeretnénk telepíteni egy szélturbinát, aminek a hangterét vizsgáljuk. Vizsgálatunk tárgyának egy Ø30 méter lapátátmérőjű szélturbinát választottunk, aminek a közelítőleges méretei a következő ábrán láthatók. 1. ábra Szélturbina méretei a névleges teljesítményük és a magasságuk függvényében [4] Vizsgált geometria A készítettünk egy 15 méter hosszú lapátot, NACA 4415-ös profilból, ami a következő ábrán látható. 2. ábra Szélkerék lapát Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 24

A lapátot körben kiosztottuk háromszor, majd egy lekerekített orrú hengeres testet választottunk gondolának. A gondolát egy 45 méter magas oszlopra tettük. 3. ábra A gondola és az oszlop felső része Az így kapott szélturbinánkat a következő képen látható áramlási térbe helyeztük el. 4. ábra Áramlási térben Szimuláció peremfeltételei Az áramlási terünk egy 290 x 110 x 95 méter nagyságú hasáb volt, amiben a szélkerék a térfogat elejétől 100 méterre helyeztük el a térrész közepén. Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 25

Általában a szélkerekeket 25 m/s-os szélsebességnél szokták leállítani. Mi az álló szakaszban szerettünk volna szimulálni, így 30 m/s-os szélsebességet definiáltunk peremfeltételnek. A szélkerék körül kialakuló örvények miatt, időfüggő szimulációt futtattunk, aminek leállítási feltételének a szélkerék mögött a tengellyel egyvonalban, illetve a lapátok végénél a tengellyel párhuzamosan 25 méterenként az áramlási tér végig felvettünk pontokat, ahol az áramlási sebesség és a nyomás konvergenciáját vizsgáltuk. A vizsgált helyeken jellemzően a nyomás előbb kezdtek el konvergálni (kb. 400-500. iterációnál), mint a sebesség. A szimuláció nagyjából 8500 iterációig futott, ami 64 (fizikai) másodpercnek felel meg. A turbulencia leírásához az előzőekben már említett k-ε modellt használtuk. Az összes felületet ideálisnak tekintettük (Ra = 0 μm), így sem az érdességgel, sem a felületi hibákkal, egyenetlenségekkel nem számoltunk. Hálózás A tér felbontására téglatest hálót készítettünk. Az áramlási tér alaphálója 16 x 13 x 36 (7 488) cellaelemet tartalmazott, amit az áramlási térben, illetve a felületek mentén felosztottunk. A szélturbina mögött, és a turbina környezetében négyszer sűrítettünk a hálón oldalfelezéssel. A szélkerék lapátozásnál és orrkupolájánál hatszor-, az összes többi felületen ötször sűrítettünk a hálón oldalfelezéssel. Így a 908 997 cellát kaptunk. A hálózásról néhány síkban a következő ábrákon látható egy-egy metszet. 5. ábra Áramlási tér hálója (oldalnézet) Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 26

6. ábra Áramlási tér hálója (az oszlop középsíkjában) 7. ábra Véges térfogat háló a szélkerék középsíkjában 8. ábra Véges térfogat háló a szélkerék környezetében SZIMULÁICÓ EREDMÉNYEI A következő ábrákon a szélturbina környezetében kialakuló hangteljesítményszinteket lehet látni. Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 27

9. ábra Hangtér a szélturbina középsíkjában (oldalnézet) 10. ábra Hangtér a szélturbina középsíkjában (felülnézet) Az előző ábrákat megvizsgálva megállapítható, hogy a legnagyobb zaj a szélkerék környezetében alakul ki, viszont a leghosszabb turbulencia a tartóoszlop aljánál, a talaj mentén található. Ebben a régióban a kapott eredményeknél nagyobb zajszinteket mérnénk a valóságban a talaj egyenetlensége és a levegővel érintkező felületek érdessége miatt. 11. ábra Hangtér a talaj felett 5 méterrel Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 28

12. ábra Hangtér a szélturbina középsíkjában (oldalnézet, nagyított) A könnyebb szemléltetés miatt, a következő ábrákon a kapott eredményeink felületi ábrái (isosurface plot) láthatók 10 50 db-es szintig. 13. ábra 10 db-es hangteljesítményszint isosurface plotja 14. ábra 20 db-es hangteljesítményszint isosurface plotja Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 29

15. ábra 30 db-es hangteljesítményszint isosurface plotja 16. ábra 40 db-es hangteljesítményszint isosurface plotja 17. ábra 50 db-es hangteljesítményszint isosurface plotja Az eredmények grafikonon történő ábrázolásához felvettünk öt vonalat 1 méterenként a talajtól. Ezek a vonalat mentén a tartóoszlop mögötti térrészre lekérdeztük a hangteljesítményszinteket. Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 30

Hangteljesítményszint [db] 18. ábra Referencia távolságok 50 40 30 20 10 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 0 0 50 100 150 Távolság [m] 19. ábra Hangteljesítményszint szint alakulása a szélkerék mögött a távolság függvényében Az előző ábrán megfigyelhető, hogy mindegyik görbe esetén 45 db környékén van a maximum, az oszlop közvetlen közelében. Ezt követően csökken mindegyik magasságban a zaj értéke. A 30 db-es értéket (ami nagyából a suttogásnak felel meg) 16,3 -, 12,6 -, 10,3 -, 14,2 -, és 21,6 méterrel az oszlop mögött éri el 1-, 2-, 3-, 4-, és 5 méteres magasságban a zajszint az oszlop mögött. Az áramlási térben kialakuló örvények miatt, kb. 60 méterrel az oszlop mögött 3, 4 és 5 méteres magasságnál lokális hangnyomásszint csúcs alakul ki, ami után a hangnyomásszint tovább csökken. A 10 db-es értéket, az 1 méteres magasságban 52,5 méterrel az oszlop mögött -, 2 méteres magasságban 50,3 méterrel az oszlop mögött -, 3 méteres magasságban 70,5 méterrel az oszlop mögött -, 4 méteres magasságban 73,8 méterrel az oszlop mögött -, és az 5 méteres magasságban 75,9 méterrel az oszlop mögött éri el a hangteljesítményszint. Az eredményeket tovább vizsgálva 1 db alá 101-, 112-, 105-, 107-, és 112 méterrel az oszlop mögött csökken a hangteljesítményszint. Ezt a távolságot követően az eredményeink tovább csökkennek majd felerősödnek fél db környékére és így lépnek ki az áramlási térből. Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 31

ÖSSZEFOGLALÁS Cikkünkben egy Ø30 méteres átmérőjű álló szélturbinát vizsgáltunk, amit 30 m/s-os széllel fújtunk meg és az így kialakuló zajszintet vizsgáltuk. A vizsgálathoz egy numerikus áramlástani szimulációs szoftvert használtunk, ami az áramlási teret kiszámolta és abból a Proudman formulával meghatározta a hangteret. Kezdeti problémafelvetésünk egy képzeletbeli üzem volt, ahol a szélkerék, mint zajforrás zavarhatja az ott dolgozókat nem megfelelő zajszigetesés, nyitott ablakok vagy egyéb okok miatt. Így az oszlop mögött a talajszint közelében kapott eredményeket függvény formájában a lekérdeztük és meghatároztuk a 30 db, 10 db és 1 db-es hangteljesítményszinthez tartozó távolságot. Eredményeink rávilágítottak arra, hogy egy Ø30 méteres átmérőjű szélturbina keltette zajok mekkorák lehetnek a vizsgált áramlástani feltételek mellet. Az eredmények kiindulási alapként felhasználhatóak szélturbina telepítés zajszintbecsléséhez és további akusztikai vizsgálatukhoz. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Global Wind Power Cumulative Capacity https://en.wikipedia.org/wiki/wind_power#/media/file:global_wind_power_cumulati ve_capacity.svg (2017.09.18.) [2] Szlivka Ferenc: Áramlátechnikai gépek, Főiskolai Kiadó, Dunaújváros, 2008. ISBN 978-963-87780-6-2. p. 214-231. [3] SOLIDWORKS Flow Simulation 2017 User's Guide - Noise Prediction [4] Szélturbina méretei a névleges teljesítményük és a magasságuk függvényében https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/wind_turbine_size_increase_19 80-2010.png (2017.12.08.) Hadmérnök (XIII) 1 (2018) 32